新興的數字孿生概念是任何為未來準備的實體建模和仿真需求的關鍵促成因素。與傳統方法相比，數字孿生通過增強模塊化和可擴展性，能夠以更低的成本將需求快速轉化為能力。本文討論了數字孿生建模和仿真的要素。這些能力包括但不限于智能體建模、優化、并行化、高性能計算、云架構設計等。這些概念與將建模和仿真技術整合到單一界面的數字孿生中有關，用于工程系統的快速原型設計和鑒定。與傳統方法相比，使用這些新興技術可以大大減少模擬計算時間（從幾小時/幾天減少到幾秒鐘甚至幾微秒）。本研究發現，與所有利益相關者合作的便利性、測試時間的減少、最小的現場基礎設施要求是減少成本的關鍵優勢。分析了這種智能和在線數字孿生的信息優勢的適用性，以加強網絡安全和天基（防御）服務的機載威脅評估。使用這些同步和互操作的能力可以減輕對國防空間基礎設施的可逆和不可逆的物理和網絡威脅。

在國防中使用數字孿生的信息優勢

在情報、國防或空間部門使用技術，盡管還不是很廣泛，但由于對系統的快速、可擴展、自主和智能的需求，正在獲得巨大的發展勢頭。與此同時，由于空間的擴散、商業化和競爭加劇，國防對空間部門的依賴也變得更加強烈。美國國防情報局的一份題為 "空間安全的挑戰"[35]的報告指出，基于空間的能力正在出現，為軍事提供整體支持，因此需要確保這些新型服務產生的新風險。空間的軍事化和碰撞風險的增加，以及其他人為的和自然的危害，使得有必要通過使用像DTs這樣的先進技術來減輕風險。衛星技術不僅促進空間系統的故障診斷和健康監測[36]，而且還通過快速和有效地使用數據實現網絡安全[37]。使用這些同步和互操作的能力可以減輕對國防空間基礎設施的可逆和不可逆的物理和網絡威脅。

DT也大大加強了對天基（防御）服務的機載威脅評估[38]。空間資產的連接和安全服務，DT技術能夠提供的好處不僅僅是操作上的好處。例如，整個衛星群及其環境的數字孿生使威脅評估成為可能，因為可以模擬碰撞情景，并預測、預防和糾正單個衛星的故障。它還可以幫助檢測干擾和共址，以防止軍事威脅，并使整個系統更具彈性。因此，DT有助于保護空間資產免受各種類型的威脅。

5.1 目前使用案例

5.1.1 硬件在環仿真

SpaceR-SnT擁有的最初的數字孿生方法，Zero-G Lab是在Gazebo軟件中建模的。Zero-G實驗室的數字孿生，減少了測試時間，加快了開發步驟，被用來測試和驗證集成到Zero-G實驗室機器人操作系統（ROS）網絡的任何硬件（HW）組件的代碼。最初的硬件在環（HIL）方法被用來模擬不同的硬件組件，作為Zero-G實驗室的ROS網絡中的數學模型。這些模擬作為模擬的HW組件和Zero-G Lab之間的接口。對于Zero-G實驗室的浮動平臺和機器人操縱器，ROS基礎設施被用來在HW和軟件組件之間創建一個元數據流框架。此外，零-G實驗室的浮動平臺和機器人操縱器可以在零-G實驗室的同一個ROS網絡中使用。這樣的軟硬件互動模擬是實現國防部門敏捷DT系統的最初步驟。

5.1.2 衛星地面站的運行

孿生孿生之外，擁有一個與軌道上的衛星的彈性和快速連接也幾乎是重要的。這包括對數據存儲的快速和安全訪問。在過去，這涉及大量的操作努力以及一些深刻的技術理解。如今，有一些由云驅動的替代解決方案--如Azure Orbital[39]--使衛星地面站更容易訪問，以及將這些數據集傳送到安全的存儲地點并從那里真正使用的周轉時間。這些解決方案還將消費者從一些操作任務中解脫出來，而不犧牲安全、性能或技術的多樣性，因為地面站即服務的產品支持廣泛的行業已知技術，但以虛擬化的方式。使用像這樣的云計算解決方案還提供了一個機會，通過管理一個界面來利用地球上的幾個地面站供應商，與每個供應商的專門合同相比，這反過來提供了一個巨大的操作多樣性和敏捷性，并降低了成本。

另一個重要的用例是傳統衛星的生命周期擴展，這些衛星仍處于運行模式，但像數字孿生這樣的新能力應該擴展到該解決方案。國家海洋局通過合作研究與發展協議對其傳統的極地衛星進行了這方面的實踐[40]。這項工作提供了證據，即使用像Azure Orbital這樣的云計算服務，這些傳統的星座仍然可以用可接受的操作努力和較低的成本來運行。這使得該項目更具有可持續性，即使它已接近壽命終點。

從 NOAA 星座中學習生命周期支持主題。還有一個有遠見的成就值得一提，它使澳大利亞國防部通過在偏遠地區利用衛星支持的連接安全地訪問云存儲數據。"通過釋放SATCOM、5G和云計算的力量，國防組織可以在偏遠地區保持連接，快速、安全地分享數據以提高戰略意識，并對數據進行深入分析以改善決策[41]"。

這可能會導致提供實時的預測性維護指導，在解決方案的數字孿生中可視化。與沉浸式協作平臺相結合，就像之前提到的那樣，這些數據可視化可以提供真正的洞察力，避免誤解，從而推動更好的數據驅動決策。

5.2 未來應用

為了在高度不確定和未建模的環境條件下成功完成防御任務，必須開發高度適應性、響應式和穩健的數字孿生方法。這種極其不確定和多變的物理環境可以在數字孿生環境中建模，以增加任務的成功可能性。從這個角度來看，數字孿生結構有如下的未來應用領域：

• 國防領域的數字孿生結構將有機會在不斷增長的空間市場中提高其有效性，并與這些市場的不同參與者建立聯系。

• 國防領域的數字孿生結構將能夠在概念開發階段利用接近真實的測試環境在低成本工程系統的新細分市場中更快地定位。

• 與北約未來幾十年的空間政策保持一致，使北約的空間生態系統能夠與大規模的空間市場競爭。

為未來的應用提供了創新的資產：

• 大的集成范圍。在證明了數字孿生的可靠性后，數字孿生框架將有可能擴展到任何空間/防御應用[42]。

• 高競爭力。數字孿生的擬議整合將加速其工業生態系統中的先進技術研發競爭。

• 廣泛的可擴展性。由機構、組織和私人倡議開發的許多不同的空間系統系統將被整合到數字孿生結構。

美國正越來越多地參與到與中國和俄羅斯聯邦的長期競爭中--在這場競爭中，美國國防領導人和專家認為，美國軍隊在技術和行動上已經落后。為了重新獲得優勢，美國國防部（DoD）正在推行新的防御戰略和作戰概念，旨在通過重新調整防御態勢和更好地整合空中、陸地、海上、太空和網絡空間領域的行動來提高美國的軍事能力。這些新方法的實施導致美國政府將國防部的研究和開發（R&D）支出增加到自第二次世界大戰以來的最高水平。

盡管有這些工作，美國軍隊可能無法通過簡單地使用當今部隊的改進版來進行現有戰術的適度變化，以獲得并保持對其大國競爭對手的優勢。美國防部為幫助贏得冷戰而開發的能力--包括隱形飛機、精確武器和遠程通信網絡--已經擴散到其他國家的軍隊。潛在的對手也同樣觀察到了美國在冷戰后科索沃、伊拉克和阿富汗沖突中的行動，并相應地調整了他們的作戰概念。 因此，美國軍事領導人承認，美國軍隊在這些情況下獲得的任何未來優勢都可能是狹隘的和短暫的。

1 需要一種新的作戰方法

與其利用已經擴散到對手那里的能力和作戰概念來與其他大國競爭，美國軍方不如考慮采取新的作戰方式，以獲得長期的優勢。例如，在冷戰期間，美國能夠將突出的新興技術與新的作戰概念相結合，克服蘇聯部隊的數量優勢，首先使用核武器，后來使用精確武器和隱形武器。

今天，美國部隊面臨的最重大的作戰挑戰包括中國和俄羅斯軍隊的遠程傳感器和精確武器網絡。中國將這些能力作為一個全面系統（SoS）的一部分，以捕捉利用美國和盟國部隊中被認為的漏洞。俄羅斯等武裝部隊用代理和準軍事部隊來補充他們的遠程精確武器和傳感器，他們利用這些武器和傳感器來實施 "灰色地帶 "戰術，通過爭奪有爭議的領土或破壞鄰國的穩定來獲得領土和影響力。

反擊中國或俄羅斯的作戰方式將需要美國和盟國軍隊提高其在不同程度的升級中生存和追求目標的能力。今天，最有效的美國部隊組合將多任務單位和平臺組合成相對較大的編隊，如陸軍旅級戰斗隊（BCT）、海軍遠征部隊（MEU）或海軍航母打擊群（CSG）。這些部隊由于其規模和集合而變得脆弱，這限制了他們的行動靈活性，并增加了他們的可探測性。此外，這些部隊組合的規模有可能使對抗不適當地升級，并可能使美國部署的部隊態勢在財政上無法持續。

盡管美國防部的新概念，如分布式海上作戰（DMO）、多域作戰（MDO）和遠征先進基地作戰（EABO）強調更多的分布式編隊，但國防部的投資仍然優先考慮相對較少的多任務平臺和部隊編隊，它們缺乏數量或決策支持工具來實現分布式作戰。美國的一攬子計劃也傾向于聚集多任務單位，以便它們能夠提供相互支持的防御，協調大量的進攻性火力，并獲得維持和管理的效率。

美國軍隊的設計反映了一種以消耗為中心的戰爭觀，其目標是通過摧毀足夠多的敵人使其無法再戰斗來取得勝利。例如，美軍在過去20年中的行動越來越依賴于殺死或俘虜恐怖分子和叛亂分子，而不是剝奪敵人的侵略利益。為了更好地應對大國競爭者帶來的作戰挑戰，本研究報告建議美國防部接受一種新的制勝理論和作戰概念，重點是做出比對手更快和更好的決策，而不是減員。

以決策為中心的戰爭方法不是摧毀對手的力量，直到它不能再戰斗或成功，而是給敵人施加多種困境，阻止其實現目標。例如，經典的機動戰，旨在通過延遲或退化使敵人的進攻行動脫節，并破壞其重心，如維持或指揮和控制（C2）。這可以被看作是對敵方戰斗網絡的凝聚力的攻擊。

目前的美國軍隊在執行以決策為中心和機動作戰的能力方面將受到限制。由于其成本，多任務平臺的數量不夠多，無法實現足夠的分布或多樣化的演示，無法對大國對手施加多種作戰困境。這種成本和稀缺性也要求多任務平臺和部隊編隊得到保護，進一步降低了美國部隊的靈活性。

美軍所面臨的困境的數量和速度也同樣受到美軍指揮官對整個戰區C2結構的依賴限制。戰區一級的環境和情況的范圍限制了指揮官使用自動決策輔助工具的能力，使決策速度慢于指揮官的規劃人員的速度。此外，在戰區范圍內的通信很可能是有爭議的，這降低了戰區指揮官為實施機動戰而動態管理部隊的能力。

與冷戰時期一樣，美國防部可以利用新興一代技術來克服美國部隊在實施新的作戰概念時將面臨的挑戰。在冷戰后期，隱形、制導武器和通信網絡是實現向穿透性精確打擊行動轉變的技術。今天，最突出的新興技術是人工智能（AI）和自主系統，美國防部使用這些技術僅僅是為了加快已經由人類進行的行動或使之自動化。這些技術反而可以成為以決策為中心的戰爭方法的基礎。例如，自主系統可以實現更多的部隊設計，使美國的軍事單位和平臺數量更多，更容易重組；人工智能可以賦予決策支持工具，使指揮官能夠管理快速和復雜的行動。

2 轉向以決策為中心的戰爭

以決策為中心的戰爭旨在使美國指揮官能夠做出更快、更有效的決策，同時也降低了對手決策的質量和速度。對美國和對手決策的關注使以決策為中心的戰爭有別于之前的概念，如以網絡為中心的戰爭，后者側重于通過集中決策來改善美軍決策。

以網絡為中心的戰爭依賴于戰區指揮官對廣泛地區不受限制的態勢感知，以及與他們所指揮的所有部隊溝通的能力。然而，在未來高度競爭環境的沖突中，集中決策可能既不可能也不可取。對手電子戰（EW）和其他反C2和情報、監視和偵察（C2ISR）能力的提高將降低美國指揮官了解或跨戰區溝通的能力。這些行動將限制美國指揮官獲得了解或對大群美軍施加控制的能力。

以網絡為中心的戰爭假定了高度的清晰和控制，而以決策為中心的戰爭則接受了軍事沖突中固有的迷霧和摩擦。以決策為中心的戰爭通過利用分布式編隊、動態組成和重組、減少電子發射和反C2ISR行動來增加對手對美國軍事行動的復雜性和不確定性，并降低對方指揮官的決策水平，從而提高美國部隊的適應性和生存能力。

以決策為中心的戰爭所產生的兩個最重要的作戰挑戰是分散和掩蓋美國部隊的部署和意圖，同時維持美國指揮官做出和頒布迅速、有效的決策能力。自主系統和人工智能可以幫助解決這些挑戰。

2.1 自主系統實現分配和任務指揮

自主系統，如無人駕駛平臺和通信網絡管理系統，可以幫助美國部隊進行更多的分布式行動。無人駕駛平臺可以通過將傳統的多任務平臺和單位的能力分解成更多的功能較少和成本較低的系統，從而實現更多的分布式編隊。

以決策為中心的戰爭假定，在軍事對抗中，通信將是有爭議的，而且經常被拒絕。因此，C2關系將遵循通信的可用性，而不是像網絡中心戰那樣試圖建立一個支持理想C2結構的通信架構。可以說，美國防部建設通信網絡的工作之所以失敗，部分原因正是因為他們試圖通過一個無處不在的彈性網絡來強加一個理想的C2結構，而這可能是無法實現的，也是負擔不起的。

在以決策為中心的戰爭中使用的C2和通信（C3）方法，也被稱為 "以背景為中心的C3"，指揮官將對那些與他們進行通信的部隊進行控制。自主的網絡控制將管理帶寬、覆蓋范圍和延遲之間的權衡，以便將通信與指揮官所需的部隊連接起來，完成他或她的任務，并防止指揮官的控制范圍變得無法管理。那些太難到達或對所需任務沒有必要的部隊將被排除在指揮官的部隊之外。

2.2 AI賦能的決策支持

美國軍方將下級領導人在獨立行動中，包括在與高級領導人失去聯系時采取主動的概念稱為 "任務指揮"。然而，按照目前的做法，"任務指揮 "將破壞為獲得對對手的決策優勢所做的工作。初級指揮官將沒有一個規劃人員來協助管理或操作他們指揮的部隊。因此，他們可能會做出錯誤的決策，或者退回到對對手來說更容易預測的習慣性或理論性的戰術。

以決策為中心的戰爭將通過一個新的C2結構來解決任務指揮部的局限性，該結構將人類指揮與人工智能的機器控制相結合。人工智能的決策支持工具將允許初級指揮官控制分布式部隊，適應環境或對手的行動，并對敵人的決策施加復雜性。通過這種方式，指揮官將能夠執行以內容為中心的C3。

人類的指揮和機器的控制將利用人類和機器各自的優勢；人類提供靈活性并應用其創造性的見解，而機器提供速度和規模，以提高美國部隊將多種困境強加于對手的能力。這種方法也將適應在部署人工智能決策支持系統時可能遇到的困難。人類指揮官在發布命令之前將首先仔細檢查和評估來自機器控制系統的建議，允許他們調整或修改作戰計劃。隨著時間的推移，隨著決策支持工具的改進和建立有效的績效歷史，指揮官可能會變得更愿意接受機器建議。

3 馬賽克戰

DARPA的馬賽克戰爭概念為實施以決策為中心的戰爭提供了一種方法。馬賽克戰爭的中心思想是通過使用人的指揮和機器的控制，快速組成和重新組合更加分散的美軍部隊，為美國部隊創造適應性，為敵人創造復雜性或不確定性。實施 "馬賽克戰爭 "或其他形式的以決策為中心的戰爭將需要對美國部隊的設計和C2過程進行重大改變。

3.1 兵力設計

今天，美國部隊主要由有人的多任務單位組成，如飛機、艦艇和部隊編隊，它們是獨立的，或者說是單體的，并包含自己的傳感器、C2能力和武器或電子戰斗系統。單一多任務單位相對不靈活的配置，以及不同單位之間通信互操作性的限制，導致一個特定的部隊組合只能執行小范圍內的效應鏈。這降低了部隊的適應性，使其行動更可預測，并限制了美國部隊迷惑敵人的能力，而這種能力是側重于獲得決策優勢的作戰概念的一部分。

美國防部可以通過將今天的一些單一的多任務單位分解為更多的功能較少的小型元素，從而更好地追求以決策為中心的戰爭。例如，一艘護衛艦和幾艘無人駕駛水面艦艇可以取代由三艘驅逐艦組成的水面行動小組。一部分攻擊型戰斗機可以被作為C2ISR平臺的攻擊型戰斗機所取代，而這一平臺是由一組遠程導彈和裝有傳感器和電子戰裝備的無人駕駛飛行器（UAV）組成的。在地面部隊中，不必依賴大型部隊編隊，小型部隊和分隊可以用中小型無人地面車輛（UGV）和/或無人機來增強其自衛、ISR和后勤能力。

派遣更多的分解單位不需要全盤替換傳統的美國部隊。只有一小部分單元需要退役或被取消，以使大量較小的、較少的多功能部隊能夠被采納和投入使用。一支能夠快速組成和重新組合的分解部隊可以為美國軍隊提供若干優勢：

• 更容易納入新的技術和戰術。具有較少功能的嵌入式部隊元素不會像多任務單位那樣高度整合。因此，需要對一個平臺或部隊編隊進行較少的修改，以使新的能力能夠被納入。

• 為美國指揮官提供更大的適應性。與傳統的單一平臺和部隊編隊相比，分散的部隊將能夠以更多的方式進行組合，以實現效果。

-對敵方來說更復雜。敵人將更難評估分布和分解的部隊以確定美國的意圖和效果鏈。

• 提高效率。指揮官將能夠更精細地調整由分散的部隊組成的部隊包，以匹配行動所需的資源能力和執行能力，以及他們所期望的風險水平。

• 更廣泛的行動范圍。分散的部隊能夠更精細地適應一項行動，可以減少不必要的過度匹配，使其能夠分散到更多的任務中。

• 改進行動戰略的實施。更多同時進行的任務，改進的資源能力和執行能力的校準，以及分解部隊中更大比例的無人系統將使部隊能夠更好地進行佯攻，同時進行進攻和防御行動，或高風險/高回報的任務。因此，指揮官可以更好地執行他們的戰略。

馬賽克戰爭所需的部隊設計將需要新的C2方法，能夠組成和重新組成大量的分布式單位。C2流程也需要在給敵人的傳感器和C2流程帶來復雜性的同時，能夠做出更快、更有效的決定。

3.2 C2過程

也許以決策為中心的戰爭最具破壞性的因素是它將如何改變美軍的C2流程。為了充分挖掘分解的和更可組合的部隊的價值，"馬賽克戰爭 "將依賴于人類指揮和機器控制的結合。如果在不改變相關C2流程的情況下實施部隊設計，與傳統部隊相比，指揮官及其參謀部將難以管理分解部隊中的大量元素。如果沒有自動控制系統，指揮官也將更難利用以決策為中心的部隊的可組合性來為對手制造復雜性，或對敵人的防御和反制措施進行重新組合。

在馬賽克戰爭的C2過程中，如圖1所示，人類指揮官為一項行動制定一個總體方針，反映他們的戰略和指揮官的上級提供的意圖。指揮官通過計算機界面指揮機器化的控制系統，分配要完成的任務，并輸入對立力量規模和有效性的估計。機器化的控制系統通過識別通信中的部隊來實施以內容為中心的C3，同時將指揮官的控制范圍保持在一個可控的范圍內。然后，指揮官從通信中的部隊中選擇可用于執行任務的單位。

在以內容為中心的C3方法中，時間將是一個重要的考慮因素。指揮官在行動中需要的部隊可能會離開位置，失去通信，或者在指揮官決定哪些部隊可用于執行任務和審查建議的行動方案時被摧毀。然而，這種延遲可能比使用傳統的計劃程序要少得多。這種潛在的缺點也可能被強加給對手的復雜性對美軍的好處所抵消。

3.3 來自兵棋推演的見解

為了評估以決策為中心的戰爭理論的有效性和 "馬賽克戰爭 "的實用性，CSBA進行了三次兵棋推演，將美國的 "馬賽克 "部隊和C2程序與傳統的美國部隊和C2程序在可信的未來大國和地區沖突場景中的表現進行了比較。演習的目的是測試關于 "馬賽克戰爭 "概念的可行性和作戰效益的五個假設。

1.指揮官和規劃人員可以實現對機器控制體系的信任。

2."馬賽克戰爭"將增加美國一攬子部隊的復雜性，并降低對手的決策能力。

3."馬賽克戰爭"將使指揮官能夠發起更多的同時行動，為對手創造更多的復雜性，并使他們的決策不堪重負。

4.馬賽克式部隊設計和C2進程將提高美國部隊的決策速度，使指揮官能夠更好地運用節奏。

5.與傳統部隊的行動相比，"馬賽克戰爭 "將更好地使美國指揮官實施其戰略。

研討會和兵棋為 "馬賽克戰爭 "假設的許多潛在好處找到了證據，但有一些注意事項。除了對后勤、通信、人工智能和自主系統的假設外，游戲版的機器控制系統缺乏真實控制系統的建模和模擬能力。控制系統所使用的馬賽克部隊元素的特性也是極其簡化的。因此，參與者傾向于接受控制系統提出的COA中的力量組合和隱含的戰術，而沒有提出重要的問題或分析。

4 實行決策中心戰

盡管實施以決策為中心的戰爭不需要取代目前的美國軍隊，但美國防部將需要改變它用來發展軍事能力的許多過程，以部署一支分解的部隊。例如，在一支高度可組合的部隊中，對元素的要求將不會以差距的形式出現，因為機器化的控制系統將組裝定制的部隊包，以盡可能密切地執行指揮官的任務，以滿足特定的情況。與其要求技術專家創造解決方案來填補具體和確定的能力差距，國防部將需要追求新的能力，以便在廣泛的潛在情況和部隊配置中提高性能。

盡管實施以決策為中心的戰爭存在挑戰，但美軍需要采取一種新的方法來遏制侵略并在未來的沖突中取得成功。它在以前的競爭中借助的優勢來源現在很容易被美國的競爭對手獲得，而且戰爭的趨勢正在降低美軍在大規模精確打擊戰爭中的能力和經驗的價值。軍事競爭的下一個主要領域可能是信息和決策，美軍可以通過利用人工智能和自主系統的新興技術在其中建立長期的優勢。

新的作戰概念對于美軍充分挖掘新技術的潛力將是至關重要的。如果國防部繼續把人工智能和自主系統僅僅看作是改進其現有作戰方法的一種手段，那么美國軍隊可能會發現自己是破壞的受害者，而不是把破壞強加給美國的競爭對手。

圖2：決策中心戰背后的基本原理：行動和制度影響

圖 16：以內容為中心的C3架構

美國戰略與預算評估中心是一個獨立的、無黨派的政策研究機構，它的成立是為了促進對國家安全戰略和投資方案的創新思考和辯論。CSBA的分析側重于與美國國家安全面臨的現有和新出現的威脅有關的關鍵問題，其目標是使決策者能夠在戰略、安全政策和資源分配等問題上做出明智的決定。

現代戰術戰爭需要迅速而有效的決策和行動，以便在經常是高度動態和復雜的戰區保持競爭優勢。需要考慮的因素的數量因不確定性、事件的快速發展和人為錯誤的風險而放大。自動化、人工智能和博弈論方法的潛在應用可以為作戰人員提供認知支持。這項研究以自動兵棋推演輔助決策的形式探索了這些應用。該團隊為這個未來的系統開發了一個概念設計，并將其稱為兵棋推演實時人工智能輔助決策（WRAID）能力。

頂點項目的目標是探索自動化、人工智能和博弈論的應用，作為支持未來WRAID能力的方法。該團隊為WRAID能力開發了需求、概念設計和操作概念。該小組確定并探索了可能對未來實施WRAID能力構成障礙的挑戰性領域。該小組調查了與使用人工智能來支持戰爭決策有關的倫理挑戰和影響。

本報告首先對與WRAID能力相關的主題進行文獻回顧。文獻回顧從人工智能的回顧開始，提供了一個關于人工智能如何工作以及它能夠完成什么類型任務的概述。文獻綜述探討了人機協作的方法，以支持未來指揮官和人類用戶與WRAID系統之間的互動。需要翻譯指揮官的意圖，并讓WRAID將有意義的輸出傳達給指揮官，這需要一個強大的界面。審查包括傳統的兵棋推演，以研究目前的模擬兵棋推演是如何進行的，以便深入了解，未來的WRAID能力如何能夠實時復制兵棋推演的各個方面，并認為以前的兵棋推演可以為人工智能和機器學習（ML）算法的發展提供訓練數據。ML算法的訓練需要大量的代表性數據。文獻回顧研究了人類的認知負荷，以深入了解人類大腦的認知技能和上限；并確定人類思維的極限，以顯示人工智能可能提供的支持。文獻綜述中涉及的最后一個主題是，傳統的計劃和決策，以了解目前在軍事上如何制定戰術行動方案。

該小組進行了需求分析和利益相關者分析，探索WRAID能力如何支持作戰人員。該小組在需求分析的基礎上為WRAID系統開發了一套需求。這些要求被歸類為：硬件/軟件，人機界面，和道德規范。第一階段的分析結果包括 (1)戰爭的復雜性需要發展一種未來的WRAID能力，這種能力利用自動化方法，包括人工智能、ML和博弈論，(2)WRAID能力需要大量的計算能力和復雜的軟件算法，(3)實現未來WRAID系統的挑戰將是技術和道德的。

未來WRAID系統的概念設計是基于需求分析的。概念設計被記錄在一套系統模型中，包括背景圖、系統視圖、功能工作流程圖和操作視圖。該團隊開發了一個作戰場景，以支持對WRAID能力如何在作戰中使用。

在開發WRAID的過程中，預計會有一些路障。開發WRAID系統的技術是存在的，然而，研究小組發現數據挑戰、人工智能訓練、程序限制和當前系統工程的局限性將是需要解決的障礙。數據挑戰指的是獲得足夠的數據集的能力，這些數據集代表了訓練ML算法所需的真實世界的戰術行動和兵棋推演分析。程序性挑戰包括國防部實施網絡安全、機密數據、數據庫訪問和信息分配協議的能力。系統工程方面的障礙是需要新的方法來設計安全和可靠的人工智能系統，如WRAID能力。將需要SE方法來處理不可預見的故障模式，并在系統生命周期的早期確定根本原因。

對像WRAID能力這樣的人工智能系統的倫理考慮是系統發展的一個重要因素。開發系統以取代倫理學，將使系統更有可能被部署。有幾個有道德問題的自主武器系統被拉出來作為WRAID能力的道德對話的基礎。通過一個示例場景，對道德狀況進行定性分析，以了解在部署WRAID能力時可能出現的道德問題。倫理學在未來的技術中發揮著巨大的作用；從一開始就考慮到倫理學，建立技術是很重要的。

未來的重點需要放在繼續對想象中的WRAID系統采取正規的系統工程方法。WRAID系統需要一個強大的數據集，需要收集和注釋；收集的定性兵棋推演數據越多，WRAID系統的可行性和準確性就越高。與軍事部門的合作對于最大化WRAID的利益至關重要，例如情報和偵察組織。WRAID的模擬將是完善系統要求和創建現實模型的關鍵。關于如何使用WRAID的培訓和文檔應該同時開發，所以利益相關者，特別是指揮官已經準備好，知道如何使用這個新工具。未來的研究領域包括認知工程、基于正式模型的系統工程和人機協作。

隨著目前技術進步的速度和外國的目標，人工智能將在未來的沖突和戰爭中發揮作用。自上而下的指令將需要設計和實施WRAID能力：提供大量的資源，解決操作和文化變化，重組系統工程，并確保網絡安全和收購變化。實現未來的WRAID能力并不是一個微不足道的任務。然而，它對確保現在和未來的戰斗空間優勢至關重要。

私營部門不斷收集和整理關鍵數據及其來源，以通過利用數據密集型的人工智能機器學習（AI/ML）技術來確保支持和發展新的業務。大部分行業數據都是有價值的共享資源，而海軍到目前為止還沒有實現這種做法。本頂點研究通過研究、訪談和個人專業知識，探討了海軍在創造數據可用性和質量方面的挑戰性任務。研究側重于過程、技術和管理，采用了詳細需求評估、利益相關者分析、功能設計。其研究結果是一個集中式人工智能庫（CAIL）的概念框架，旨在匹配行業對數據作為關鍵商品的堅定關注。美國海軍需要持久和動態的數字化準備，因此這個擁有70多年美國海軍數據專業知識的頂點團隊建議 OVERMATCH 考慮這些發現并生成一個確保海軍數據可用性和質量的系統。

執行摘要

美國海軍部（DON）對研究和開發人工智能和機器學習（AI/ML）系統的興趣源于這些創新能力對海軍任務和對作戰人員的直接支持所帶來的深遠和改變游戲規則的影響。人工智能/機器學習系統可以被用來改善任務規劃，減少人員配置，改善戰術決策，簡化系統維護和支持，提高安全性，在某些情況下，還可以將作戰人員從危險中移除。戰士日常活動的許多方面將發生變化，從常規和勞動密集型工作的自動化到支持復雜和時間緊迫的戰斗空間決策。

只有當美國國防部首先釋放數據的力量，才能實現AI/ML系統的這些進步。目前，在獲取或"釋放"DON的數據以開發未來的AI/ML系統方面存在許多障礙。整個海軍的數據主要停留在"筒倉"或難以訪問的數據庫中，每個"筒倉"都在其領域內受到保護。在DON的數據領域內，定位、請求、獲取和策劃數據的過程并不正式。米勒（2021）說："數據的所有者是美國人民。海軍只是管理人和監護人"。這句話包含了將數據從孤島中 "解放"出來的需要，以使海軍真正成為一個以數據為中心的企業，并實現海軍的數字化準備。

這個頂點項目開始了一項研究，以了解美國防部內AI/ML開發人員的數據需求，并制定一個概念性的解決方案來解決數據需求。其他目標是：

• 研究AI/ML方法如何在DON任務中應用。

• 了解數據需求是否在DON任務中普遍是標準的，或者數據需求是否在DON任務中有所不同。

• 制定一套 DON AI/ML利益相關者的要求。

• 為一個支持DON AI/ML數據需求的系統制定一個概念性設計。

• 研究實施概念性解決方案系統的潛在成本和進度效益。

時區團隊（Team Time Zone）應用系統工程分析方法研究DON AI/ML開發人員的數據需求，并開發和評估一個概念性的系統解決方案，以解決這一數據挑戰，并最終支持DON未來的數字準備，以解決復雜的任務。該團隊通過采訪三個不同的海軍任務領域的主題專家（SME）來進行利益相關者的需求分析：系統維護、物理安全和戰備。這三個任務被認為是 "數據提供者"的代表。此外，該團隊還采訪了數據研究人員和AI/ML科學家，以了解他們的數據需求。訪談為團隊提供了基于獨特和不同領域和經驗的關注、挫折、經驗教訓和挑戰的洞察力。從數據提供者的角度來看，反復出現的主題包括所有權的劃分、信息保障的需要、數據未被收集或存儲的情況以及對可訪問性的擔憂。從數據用戶的角度來看，明顯的軼事包括尋找數據的耗時，承諾的數據并不總是能夠實現，以及即使在獲得數據后，理解數據的背景也是至關重要的。該小組根據利益相關者的訪談和信息收集工作，為DON AI/ML制定了一套數據要求。DON AI/ML的數據需求是：

• 數據必須能夠被外部組織訪問。

• 數據必須被翻譯成與其領域應用兼容的標準格式。

• 數據必須有確定的所有者。

• 數據必須伴隨著描述性的元數據。

• 數據必須有標準化的管理。

• 數據必須以其 "最低標準"的形式被訪問。

• 數據必須具有保護和適當共享的安全性。

• 數據必須具有混淆性，以保護個人身份信息（PII）。

• 數據必須伴有背景信息。

為了解決DON數據研究人員和AI/ML科學家確定的數據需求，Team Time Zone開發了一個中央AI庫（CAIL）系統的概念設計，作為解決方案。CAIL系統的目的是簡化 DON內部的數據訪問和管理，以支持AI/ML系統的開發。CAIL系統旨在減少訪問數據的時間（和相關費用），騰出更多時間用于AI/ML系統的實際開發、培訓和評估。該團隊提出，為了滿足未來計劃的訪問和整合要求，CAIL需要成為一個 "數據云"。圖1是CAIL的OV-1；它描述了為AI/ML開發簡化DON數據訪問和管理的擬議過程。

圖1. CAIL OV-1

該團隊根據六個主要類別制定了CAIL系統要求：數據準備、數據偏差、數據整理、數據分類、數據治理和數據安全。每一個類別都是針對利益相關者分析過程中發現的需求。CAIL系統將主要與外部聯合數據、數據庫、文件和權威數據生產商/供應商的內容對接。它將像 "谷歌 "一樣為DON用戶尋找數據。數據將是結構化的，并將伴隨著元數據（關于數據的描述性信息），使數據可以被搜索。一個管理數據的社區將提供規則來管理對數據的安全訪問和授權。

在利益相關者的分析中，很明顯，在訪問數據之前需要進行一些重要的活動。AI/ML開發人員解釋了了解數據收集方式、數據來源以及其他有關數據的特定領域的背景方面的重要性。Team Time Zone將這些過程指定為 "預CAIL活動"，并將其作為整個CAIL過程的一部分。

Team Time Zone進行了成本分析，以估計為DON實施CAIL系統的成本。該團隊使用了兩種方法來估計成本：傳統的成本估計和基于模型的系統工程（MBSE）方法。該小組估計CAIL系統的成本（基于傳統的成本估算）為3380萬美元，持續時間為5年，每年的重復維持成本為400萬美元。團隊估算的CAIL系統成本（基于MBSE方法），在運行了一萬次蒙特卡洛模擬后，平均為3290萬美元，持續時間為5年。運營和維護模型的平均成本為每年440萬美元。表1顯示了CAIL開發和維護成本的摘要。

表1. CAIL系統成本匯總

為了使DON的AI/ML項目蓬勃發展，并在未來幾十年內實現AI/ML的進步，DON必須確保數據的管理，并使AI/ML的發展能夠被訪問。Team Time Zone提出的CAIL系統解決方案將為AI/ML項目提供一個單一來源的綜合數據環境，以訪問存儲在整個DON各種數據庫中的數據庫目錄。Team Time Zone建議海軍實施CAIL系統，通過確保AI/ML開發者訪問持久和動態的數字數據來支持數字準備。CAIL系統支持DON項目和開發人員的協調方法，以安全訪問數據。該小組建議超配項目（Project Overmatch）考慮這些發現并實施CAIL系統和流程，以確保海軍的數據可用性和質量。該小組開發了一個CAIL標志（見圖2），表明CAIL系統是海軍的一個重要基礎。

圖2：CAIL標志。改編自美國海軍標志。

I. 簡介

A. 背景情況

技術的進步給軍事領域帶來了新的威脅類型和現有威脅的改進版本。對抗性威脅的進步要求海軍改進現有的能力并開發新的能力，以提高防御能力并應對這些威脅。能力的增強需要提高速度、隱身性、機動性、反措施、擴大范圍、更早發現和更大的殺傷力。這些增強的能力使我們能夠在不確定的、復雜的和時間緊迫的條件下做出關鍵決定。現代戰術作戰人員面臨著越來越復雜的決策空間。他們需要獲得對動態戰斗空間的態勢感知，并確定有效的行動方案（COA）以滿足任務需求。圖1強調了造成這種戰術復雜決策空間的因素。決策的復雜性來自于威脅環境，來自于知識的不確定性，來自于戰爭和信息系統本身，來自于作戰人員與自動化系統和信息系統的互動和使用所產生的挑戰，以及任務決策的重要性或后果的嚴重性。

圖1：戰士的復雜決策空間。資料來源：Johnson (2021).

美國國防部（DOD）和海軍部（DON）正在研究使用人工智能（AI）來解決復雜的戰術決策空間，通過改善態勢感知和提供自動決策輔助來支持戰術作戰人員。利用人工智能方法的先進算法可以通過減少信息過載、改善態勢感知、提高決策速度和加強一般的戰術決策來減輕作戰人員的認知負荷。預測分析（PA）可以支持對系統可靠性和故障概率的預測，這為物流提供了廣泛的改進（Zhao和Mata 2020）。諸如PA等技術可以通過開發 "what-if "和 "if-then "情景來加強戰術決策，通過預測決策選擇的長期影響來改善戰士的COA決策（Johnson 2020）。人工智能方法可以通過檢測異常情況和從大量的安全攝像機數據中識別可能的威脅來改善海軍基地的物理安全。

米切爾（2019）將人工智能定義為一個包括許多不同方法的領域，以創造具有智能的機器。圖2顯示，人工智能存在于一套廣泛的自動化方法中，使機器能夠根據命令和規則執行任務。人工智能是使系統能夠執行模仿人類智能的功能的一套方法。機器學習（ML）方法是人工智能方法的一個子集。ML方法允許系統從被訓練的大型數據集上學習。ML系統從訓練的數據集中學習。然后，這些 "訓練有素 "的ML系統在操作上被用來識別模式，并在新的操作數據下產生預測的結果（Johnson 2021）。

圖2：什么是人工智能？資料來源：Johnson (2021)。

人工智能算法是編碼的計算機程序，用于對數據進行分類、分析和得出預測。監控、交通預測和虛擬個人助理是實施ML算法的應用實例。

開發人工智能系統，特別是ML系統，是一項具有挑戰性的工作。ML算法的初始訓練是一個數據密集型的演變。人工智能/ML系統對數據要求很高，其準確性在很大程度上取決于數據訓練集的質量和數量（Godbole 2020）。作為一個參考點，訓練DeepMind的AlphaGo Zero系統學習下圍棋花了大約40天，包括2900萬場比賽（Feldman, Dant, and Massey 2019）。想象一下人工智能/ML武器系統算法所涉及的額外復雜性，它需要考慮戰爭背景（戰爭游戲、冷戰、和平時期）、朋友或敵人、道德和合法性等概念（Feldman, Dant, and Massey 2019）。

隨著美國防部開始開發人工智能和ML方法，出現了獨特的數據挑戰。開發人員需要大量的驗證數據來訓練他們的算法；這些數據需要準確、安全和完整，以確保算法不會被破壞或有偏見。這些數據集必須代表適當的操作環境。對于海軍的應用，訓練數據必須代表眾多的任務，包括海上、空中、太空、水下、沿岸、網絡和陸基領域的任務。盡管許多海軍司令部和實驗室正在研究和開發基于人工智能/ML系統的未來能力，但沒有協調的程序來獲取他們所需的海軍數據。在許多情況下，數據是存在的，但要確定國防部的數據來源并獲得數據是一項耗時和昂貴的工作。

這個頂點項目采用了系統工程分析方法來研究DON AI/ML開發者的數據需求，并確定和評估一個概念性的系統解決方案來解決這個數據挑戰，并最終支持未來DON的數字準備來解決復雜的任務。

B. 問題陳述

DON對研究和開發AI/ML系統的興趣為各種應用帶來了數據挑戰。盡管DON的許多指揮部和實驗室正在研究和開發基于AI/ML系統的未來能力，但沒有一個協調的程序來訪問他們所需的DON數據。AI/ML系統需要大量的驗證數據來支持他們的發展和訓練算法。在許多情況下，數據是存在的，但要確定美國防部的數據來源并獲得數據是一項耗時和昂貴的工作。這個頂點研究了這個問題，并進行了需求分析，以確定DON AI/ML開發人員的數據需求，并開發和評估了解決DON數字準備這方面的解決方案概念。

C. 項目目標

這個頂點項目的主要目標是分析 DON AI/ML 開發的數據需求，并開發一個概念性的解決方案來解決數據需求。其他目標是

• 研究AI/ML方法如何在DON任務中應用。

• 了解數據需求在DON任務中是否有普遍的標準，或者數據需求在DON任務中是否有差異。

• 制定一套 DON AI/ML利益相關者的要求。

• 為一個支持DON AI/ML數據需求的系統制定一個概念性設計。

• 研究實施概念解決方案系統的潛在成本和進度效益。

D. 項目團隊和組織

時區團隊由五個具有不同學術和專業經驗的NPS系統工程學生組成。該團隊由以下人員組成。

• Robert French于2016年畢業于Old Dominion大學，獲得了計算機工程和電子工程的學士學位。他目前是位于弗吉尼亞州弗吉尼亞海灘的海軍水面作戰中心Dahlgren分部-Dam Neck附件的特殊傳感器技術部門的R.F.工程師。羅伯特也是美國艦隊司令部海上作戰中心N6（信息系統）的高級入伍領導（USNR）。他曾在現役中擔任電子技術員超過14年，并成為現役預備役軍人達9年之久。

• Wallace Fukumae前擁有夏威夷大學的電子工程學位。他目前居住在夏威夷，為海軍太平洋信息戰中心工作，擔任印度-太平洋部門主管。他的經驗包括指揮和控制（C2）系統的開發和交付以及操作。

• Kheng Hun目前居住在日本，擁有華盛頓大學的電子工程學位。他目前在海軍信息戰中心（NIWC）太平洋分部工作，擔任位于日本橫須賀的夏威夷西太平洋（HWP）分部的項目工程師。他的專業背景包括設計和安裝各種C4I系統，如電子安全系統（ESS）和網絡系統以及MILCON項目的C4I系統規劃。

• Obed Matuga擁有馬里蘭州巴爾的摩市摩根州立大學的工業工程學位，在華盛頓特區的海軍海洋系統司令部工作。與宙斯盾和艦船自衛系統一起工作，目前居住在馬里蘭州。

• Caitlyn O’Shaughnessy于2015年畢業于馬薩諸塞大學達特茅斯分校，獲得計算機科學學士學位。她目前是羅德島紐波特的海軍海底作戰中心的CANES（S.S.）項目的首席工程師。

圖3描述了時區團隊（Team Time Zone）的組織結構和每個團隊成員的主要職責。圖中還顯示了NPS的項目顧問，Bonnie Johnson博士（系統工程系）和美國海軍上尉Scot Miller（退役）（信息科學系）。

圖3：團隊時區組織圖

E. 項目方法

時區團隊采用了系統工程的方法來進行這個項目。圖4說明了該團隊的過程。團隊從需求分析開始，以了解問題并為DON AI/ML開發者定義數據要求。在這個階段，團隊確定了三個DON任務領域作為AI/ML應用的代表性領域。接下來，團隊在功能分析和系統綜合的基礎上，制定了一個名為中央人工智能庫（CAIL）系統的解決方案戰略的概念設計。該小組對CAIL系統進行了建模，并利用DON的三個任務領域來分析實施CAIL系統的效用和潛在的成本/進度效益。該團隊的分析過程涉及幾種分析方法，包括定性調查、定量調查、建模和模擬、數據結構和格式分析、需求分析和操作概念評估。

圖4：頂點項目的方法

首先，該團隊通過進行需求分析和為海軍AI/ML開發人員制定一套數據要求來確定需求的定義。該團隊確定了利益相關者，并與來自不同海軍任務領域的AI/ML開發者會面，以了解他們的數據需求。該小組進行了文獻回顧，以收集背景信息并了解當前的人工智能/ML方法。團隊對來自利益相關者會議和文獻審查的信息進行了匯編，以了解與支持海軍AI/ML應用有關的要求和限制、數據所有者、數據源、數據系統、數據元素和數據屬性。

該小組研究并確定了利益相關者和三個海軍任務主線的獨特數據要求：系統維護、實體安全和戰斗群準備。該小組確定并采訪了任務領域的主題專家（SMEs），以了解獲得AI/ML實施數據的過程，并關注需要從DON系統和組織中收集和存儲哪些數據。圖5說明了海軍的三個任務主線，以及數據、架構、基礎設施和互操作性能力在支持這些作戰人員任務領域方面的直接潛在重要性。

圖5：美國防部任務領域

接下來，團隊根據需求分析結果，制定了一個概念設計方案，以解決海軍對人工智能/ML發展的數據需求。該團隊綜合了CAIL系統，并生成了CAIL操作概念（CONOPS）和CAIL功能模型。基于國防部建筑框架（DODAF）和系統建模語言（SysML），該團隊開發了概念模型，詳細說明了CAIL的系統特征、功能和操作概念。

頂點項目的最后階段是團隊對CAIL解決方案方法的評估和分析。該團隊使用Innoslate（一種基于模型的系統工程工具）開發了一個模型，以表示CAIL系統在三個海軍任務主線中的使用情況。該小組評估了CAIL系統的能力，以簡化和改善收集、格式化、策劃、驗證和確保安全訪問海軍任務數據集的過程，以支持在三個海上任務線領域工作的AI/ML開發人員。對該模型進行了評估，以估計海軍實施CAIL系統的潛在成本和調度效益。CAIL系統模型被用來驗證和確認需求。

F. 頂點報告概述

第一章提供了項目的介紹和動機，描述了問題陳述、項目目標，以及團隊的組織和完成項目的方法。

第二章總結了團隊的文獻回顧，為需求分析提供了基礎，強調了訓練AI和ML算法所需的數據。文獻回顧包括對數據科學、統計學習、深度學習、分類學以及支持AI和ML系統的企業信息技術解決方案的信息探索。

第三章包含了團隊的需求分析結果。

第四章包含了對團隊的概念性解決方案--CAIL系統的描述。

第五章介紹了團隊對CAIL系統的分析和評估結果，該系統是解決海軍在支持AI/ML發展方面的數據挑戰的解決方案。

最后，第六章討論了擁有CAIL系統的影響和結論以及對后續研究和工作的建議。

戰爭的特點正在發生根本性的變化，這些變化對空中力量的影響尤其深遠。多域整合為空中力量和越來越多的空間力量在未來幾年內的一系列轉變做好了準備，這些轉變不僅與技術有關，而且與空軍組織和進行規劃和行動的戰略和作戰概念有關。

迫在眉睫的、不可避免的多域作戰似乎是空中力量的一個明顯的邏輯演變，它可能會引發這樣的問題：為什么我們沒有更早地沿著這些思路思考和發展作戰概念？畢竟，對優化、作戰協同和武力經濟的尋求在空中力量中是持久的。可以說，多年來，空軍及其相關部門事實上已經嘗試以某種方式或形式在多域背景下運作。然而，在整個部隊甚至整個戰區范圍內，為多域作戰（MDO）提出的早期作戰概念（CONCOPS），在多域作戰空間產生作戰協同和效果的努力是前所未有的。

諸如聯合全域指揮與控制（JADC2）這樣的結構闡述了一個作戰云賦能的未來戰爭，其中任務指揮和戰斗空間管理被有效地隱含在整個戰斗部隊中，觀察-定向-決定-行動（OODA）環路被加速到邊緣計算的速度。傳感器和通信網絡決定了空軍承擔幾乎所有傳統任務的功能能力。數據和數據流將變得比空軍傳統上對機動自由的依賴更加重要，并且有效地成為其戰略推動者。空軍力量將越來越多地與網絡而非平臺、數據而非武器系統有關。

任務的成功和失敗一直是由指揮官和作戰人員可用的態勢感知水平決定的。在新興的作戰模式中，空軍以近乎實時的速度收集、處理和利用數據的能力有效地使數據成為最大的工具和最令人垂涎的武器。收集、處理、匯總、分析、融合和傳播大量的數據、信息和知識將需要像未來有爭議的戰場上的事件速度一樣快。目前正在進行的戰爭數字化將導致在未來幾年內將 "大數據"廣泛用于作戰過程。空間領域將在實現全球范圍內連續的、有保障的和安全的通信方面發揮顯著的作用，除了更傳統的遠程監視用途外，它還被用作這種通信的運輸層。

對信息主導地位的追求將以新的和不確定的方式在物理、電磁和虛擬世界中擴展競爭的連續性。隨著空軍對帶有嵌入式人工智能（AI）工具和應用的作戰云的使用，新的風險、脆弱性和故障點將被引入。本出版物收集了來自世界各地領先的思想家的文章和見解，對多域整合和空中力量的信息優勢框架和概念的一些最相關問題提供了深入的觀點。這里的觀點和討論反映了當前對各種戰略、指揮和作戰層面的思考，讀者會發現這些思考對他們更廣泛的理解很有幫助。

這里介紹的專家展望本身既不樂觀也不悲觀，正如我們所期望的那樣，所確認的是各種新技術促成的 "飛躍"機會正在地平線上形成，但其有效利用帶來了復雜和破壞性的新挑戰。在強調其中一些關鍵的挑戰和更好地理解這些挑戰的必要性的同時，正如通常的情況一樣，沒有快速的解決辦法或現成的解決方案。然而，有令人信服的理由認為，今天所預見的眾多挑戰似乎在理論上和技術上是可以克服的，有些甚至在未來幾年內就可以克服。在未來存在的許多不確定因素中，可以肯定的是，空中力量將被徹底重新定義。

毫無疑問，今天圍繞人工智能（AI）的最復雜的治理挑戰涉及國防和安全。CIGI正在促進戰略制定：人工智能對軍事防御和安全的影響項目將這一領域的主要專家與來自國防部的40多名公務員和加拿大武裝部隊的人員聚集在一起，討論人工智能對國家安全和軍事領域的力量倍增效應。

這一努力依賴于一系列的四次研討會，以產生關于數據驅動技術如何引發巨大的技術重組的前瞻性思考，這將對加拿大的國防規劃產生深遠影響。具體來說，這些研討會集中在數據治理和政策（道德、云計算、數據準備和互操作性）；決策（可信賴性、人機一體化、生物技術和問責制）；模擬工具（培訓、兵棋推演、人機合作、機器人、自主和可信的人工智能）；以及信息時代的加拿大情報（將人工智能用于情報）。CIGI還主辦了一個研究生研討會，以激勵整個加拿大在全球公共政策、計算機科學和安全等領域學習的新興學者。

報告總結

本文探討了在人工智能（AI）和機器學習背景下的軍事特定能力的發展。在加拿大國防政策的基礎上，本文概述了人工智能的軍事應用和管理下一代軍事行動所需的資源，包括多邊參與和技術治理。

維持先進軍事能力的前景現在與人工智能的武器化直接聯系在一起。作為一項通用技術，人工智能代表著一種力量的倍增器，有能力重塑戰爭規則。事實上，在核彈頭仍然是一種單一的技術應用的情況下，人工智能有能力支持許多不同類型的武器和系統。正如北大西洋公約組織（NATO）的指導意見所指出的，人工智能和其他 "智能 "技術現在對加拿大及其盟國的未來安全至關重要。

新技術在改變戰爭的性質方面有著悠久的歷史。從馬匹和盔甲的使用到航空母艦和戰斗機的引進，人工智能和機器人只是代表了軍事技術發展的最新階段。常規武器與人工智能和機器學習的融合，必將重塑決策的性質和軍事戰略轉型中的武力應用。

即使當代人工智能系統的能力被限制在機器學習算法的狹窄范圍內，這種限制可能不會持續太久。與神經科學、量子計算和生物技術相重疊的發現領域正在迅速發展，代表了 "智能機器 "進化的未知領域。在這些新的研究領域中的科學和技術發現給加拿大的國防帶來了巨大的風險，但同時也代表著巨大的機遇。

顯而易見的是，新興技術已經成為高度緊張的地緣政治競爭的基礎，它與一系列商業產業和技術平臺相重疊。中國、俄羅斯、美國和其他國家和非國家行為者正在積極追求人工智能和其他前沿技術的軍事應用。競爭的領域包括云技術、高超音速和新導彈技術、空間應用、量子和生物技術以及人類增強。

盡管技術創新一直塑造著國家間沖突的性質，但新興和顛覆性技術（EDT）的規模和速度是前所未有的。加拿大的國防政策反映了這種擔憂，它呼吁使加拿大武裝部隊（CAF）適應不斷變化的地緣政治環境。加拿大國防規劃已著手擴大和發展加拿大武裝部隊，在新的軍事平臺整合中納入下一代偵察機、遙控系統和天基設施。

基于對不斷變化的技術環境的廣泛評估，加拿大國防部（DND）認識到，這個新時代的特點是全球力量平衡的變化。這包括在快速發展的創新經濟中大國競爭性質的變化。就像石油和鋼鐵為工業時代設定條件一樣，人工智能和機器學習現在也可能為數字時代設定條件。

這種規模的破壞是由技術和制度變化的融合所驅動的，這些變化可以以新的和不可預測的方式觸發復雜的反饋回路。在這個新的環境中，人工智能技術將迫使世界各國軍隊投射力量的能力倍增。確定軍事人工智能發展中的護欄對于避免未來危機至關重要。應用減少風險的措施來識別和減輕軍事人工智能可能帶來的一系列風險將是關鍵。事實上，在這些能力完全嵌入世界上目前和未來的軍隊之前，治理人工智能可能會更容易。

從整體上看，這種轉變預示著從初級機器到數據驅動技術和精密電子的巨大轉變。這種物理、數字和生物技術的加速融合代表了一場巨大技術革命的早期階段。在全球范圍內管理這些新興和顛覆性的技術，對于減少未來沖突的風險至關重要。

1 引言

從人工智能和機器人到電池存儲、分布式賬本技術（DLT）和物聯網（IoT），新興和顛覆性技術（EDT）現在正在激起一個商業創新的新時代。這一巨大的技術變革景觀正在醞釀一場社會和經濟變革，對中央銀行的發展具有巨大影響。正如北約最近的一份報告所指出的（北約新興和顛覆性技術咨詢小組2020），這些技術包括：

→ 人工智能和機器學習。人工智能/機器學習的發展及其對創新的潛在影響。這包括神經形態計算、生成式對抗網絡，以及人工智能從已經收集或尚未收集的數據中揭示出意想不到的見解的能力。

→ 量子技術。正在進行的從量子過程研究中獲得的知識轉化為量子技術的應用，包括量子計算、量子傳感、量子密碼系統，以及在量子尺度上對材料的操縱和開發。

→ 數據安全。用于保障和損害通信、數據交易和數據存儲安全的算法和系統的設計，包括量子證明加密方法、區塊鏈和分布式賬本架構，以及更廣泛的網絡安全領域。

→ 計算功能的硬件。微型化、電力采集和能源儲存方面的進展，包括在全球范圍內提供數字化關鍵基礎設施所需的物理系統（物聯網）和機器人的廣泛使用及其對全球系統和流程的持續影響。

→ 生物和合成材料。從原子/分子層面的材料設計、合成和操作到中觀和宏觀尺度的創新，支持生物工程、化學工程、基因層面的操作、增材制造和AI介導的生成設計。

正如蒸汽機和印刷術激發了工業革命一樣，人工智能和機器人技術現在也在軍事技術的性質和全球力量平衡方面引發了巨大變革。人工智能的興起并非沒有歷史先例，但伴隨著人工智能的變化表明，需要對國防規劃進行更精確的調整，以適應一個數據驅動的時代。

在大國競爭和多極體系的背景下，人工智能已經成為競爭的一個特別焦點。中國、俄羅斯、美國和其他許多國家都在積極追求人工智能能力，并把重點放在國防和安全方面。例如，中國希望到2030年在人工智能方面領先世界，并期望通過利用大量的豐富數據，擴大其在人工智能產業化方面的領先優勢（Lucas和Feng，2017年）。

事實上，數據和數據驅動的技術現在占據了全球經濟的制高點。整個全球數據經濟的競爭已經與大國競爭密不可分（Mearsheimer 2021）。盡管美國和中國的經濟深深地相互依存，但中國在整個歐亞大陸不斷擴大的投資將很快使其成為世界貿易的中心。

技術優勢仍然是北約國家的關鍵支柱，但中國正在迅速趕超。即使美國在人工智能發現方面建立了強大的領先優勢，中國也越來越有可能在人工智能驅動的應用產業化方面占據主導地位。中國不僅有先進的商業能力，而且還有一個連貫的國家戰略。中國的技術部門正在達到專業知識、人才和資本的臨界質量，正在重新調整全球經濟的指揮高度（Lucas and Waters 2018）（見圖1）。

中國產業部署的大部分技術創新都是 "漸進式 "的，而不是 "顛覆式 "的，但現在這種情況正在改變。將新興市場聚集在其軌道上，中國前所未有的經濟擴張現在對世界經濟產生了引力（The Economist 2018）。標志性項目，價值數萬億美元的 "一帶一路 "倡議（世界銀行2018年）為圍繞電動汽車、電信、機器人、半導體、鐵路基礎設施、海洋工程以及最終的人工智能的廣泛戰略轉變提供了一個全球平臺（McBride和Chatzky 2019年）。

毫不奇怪，中國已經是國際專利申請的世界領導者（世界知識產權組織2020）。隨著自主機器（Etzioni和Etzioni 2017）、可再生能源基礎設施、量子通信（?iljak 2020）、增強型腦機接口（Putze等人2020）和天基武器（Etherington 2020）的出現，重新思考加拿大國家安全，特別是加拿大國防的性質的壓力正在增加。鑒于技術創新的步伐不斷加快，以及亞洲作為世界貿易中心的崛起（Huiyao 2019），來自國外的技術的影響可能是巨大的。

圖1：按購買力平價計算的國內生產總值預測（以萬億美元計）

2 AI與軍事防御

2.1 AI定義

人工智能的概念已被廣泛討論，但該術語的精確定義仍然是一個移動的目標。與其說人工智能是一項具體的技術或特定的創新，不如說它是一個材料的集合。事實上，即使人工智能技術已經成為廣泛的主流商業應用的基礎，包括網絡搜索、醫療診斷、算法交易、工廠自動化、共享汽車和自動駕駛汽車，人工智能仍然是一個理想的目標。

盡管人工智能領域的研究始于20世紀40年代，但隨著機器學習和計算機處理能力的改進，過去十年對人工智能興趣的爆炸性增長已經加速。人工智能的持續進步被比喻為在人腦中發現的多尺度學習和推理能力。當與大數據和云計算相結合時，預計人工智能將通過將 "智能 "人工智能和機器學習系統與第五代（5G）電信網絡（即物聯網）上的大量聯網設備連接起來，使數字技術 "認知化"。

作為人工智能的一個子集，機器學習代表了人工智能的最突出的應用（見圖2）。機器學習使用統計技術，使機器能夠在沒有明確指令的情況下 "學習"，推動許多應用和服務，改善一系列分析和物理任務的自動化。通過使用數據自動提高性能，這個過程被稱為 "訓練 "一個 "模型"。使用一種算法來提高特定任務的性能，機器學習系統分析大量的訓練數據集，以便做人類自然而然的事情：通過實例學習。

今天，機器學習的最常見應用是深度學習。作為更廣泛的機器學習家族的一部分，深度學習利用人工神經網絡層來復制人類智能。深度學習架構，如深度神經網絡、遞歸神經網絡和卷積神經網絡，支持一系列廣泛的研究領域，包括計算機視覺、語音識別、機器翻譯、自然語言處理和藥物設計。

圖2：人工智能的層級

2.2 加拿大國防部：將人工智能應用于國家安全

安全人工智能位于新興和顛覆性技術（EDT）星座的中心，包括機器人學、基因組學、電池存儲、區塊鏈、3D打印、量子計算和5G電信。在研究層面，美國仍然是人工智能的全球領導者。目前，國家科學基金會每年在人工智能研究方面的投資超過1億美元（國家科學基金會2018年）。國防高級研究計劃局（DARPA）最近宣布投資20億美元用于一項名為AI Next的計劃，其目標是推進上下文和適應性推理（DARPA 2018）。

與過去的原子武器或隱形飛機的技術發展不同，沒有國家會壟斷軍事人工智能。研究人員和領先的商業企業之間廣泛的全球合作意味著人工智能和機器學習的進步可能會在全球范圍內擴散。事實上，人工智能發展的大多數技術進步是由工業界而不是政府推動的。除了市場主導的技術公司，世界各地廣泛的網絡集群正在孵化新一代的商業創新（Li and Pauwels 2018）。因此，許多未來的軍事應用將可能是為商業產業開發的技術的改編。

幸運的是，加拿大一直是人工智能研究前沿的領導者，并繼續通過2017年推出的泛加拿大人工智能戰略下的幾個項目培育一個強大的人工智能生態系統。加拿大政府積極參與人工智能咨詢委員會和各種國際伙伴關系，包括2020年啟動的全球人工智能伙伴關系；人工智能國防伙伴關系，其第二次對話在2021年舉行；以及重疊人工智能驅動的安全和規劃的多邊協議（五眼，北約）。事實上，加拿大的國防政策，"強大、安全、參與"（SSE），反映了加拿大政府對增加年度國防開支的承諾，重點是技術。

目前的聯邦預算包括對人工智能發展的實質性承諾，承諾在10年內投入4.438億美元（Silcoff 2021）。在政府2021年的預算中，1.85億美元將支持人工智能研究的商業化；1.622億美元將用于在全國范圍內招聘頂尖的學術人才；4800萬美元將用于加拿大高級研究所；五年內4000萬美元將旨在加強埃德蒙頓、多倫多和蒙特利爾的國家人工智能研究所的研究人員的計算能力；五年內860萬美元將幫助推進人工智能相關標準的發展和采用（加拿大政府2021年，148）。

2.3 增強加拿大的情報能力

人工智能是一個影響廣泛的商業和軍事技術的模糊領域。像電力或化石燃料一樣，人工智能的廣泛應用意味著人工智能和其他通用技術有能力重新配置現代軍隊的步伐和組織（Bresnahan和Trajtenberg 1995）。從整體上看，人工智能代表了國家安全性質的結構性轉變。出于這個原因，SSE設想了一個未來的軍事態勢，更加注重開發、獲取和整合先進的變革性技術，包括網絡和自主系統。

即使加拿大在傳統聯盟（北美防空司令部、北約和五眼聯盟）中的持續作用仍然是國家安全的基礎，EDT正在從根本上改變沖突的性質。正如格雷格-菲夫（2021年）所觀察到的，人工智能作為戰爭工具的崛起與升級加拿大國家安全架構，特別是加拿大情報部門的日益增長的需求相重疊。技術變革和信息爆炸的復合周期，新的技能組合和新的數據分析戰略對國防規劃的演變變得至關重要。

在數字時代，戰爭正日益成為基于知識的戰爭。隨著沖突進入信息領域，軍事規劃開始重新聚焦于信息/虛假信息行動、網絡行動、情報行動和政治或經濟影響行動。事實上，這種混合戰爭作為一種戰爭工具由來已久，其目的是利用宣傳、破壞、欺騙和其他非動能軍事行動，從內部破壞對手（Bilal 2021）。

網絡仍然是潛在對手、國家代理人、犯罪組織和非國家行為者的一個關鍵目標。這包括對通信、情報和敏感信息的嵌入式監視和偵察。正如Amy Zegart（2021年）所解釋的那樣，技術正在通過極大地擴展數據和信息的獲取，使情報的性質民主化。事實上，今天驅動戰略情報的大部分信息實際上是開放源碼情報（OSINT）或在公共領域。

現代軍隊正變得嚴重依賴安全、及時和準確的數據。隨著數據的急劇膨脹，消化它變得不可能。這種數據爆炸正在推動對新的分析模式和新型網絡工具的需求。在數字時代，安全和情報人員需要新的平臺、新的工具和跨領域工作的新OSINT機構。在這方面，人工智能可能特別有幫助。

隨著數據的重要性增加，在廣闊的數字領域的對抗性競爭也在增加。人工智能和機器學習可以通過篩選巨大的數據庫來極大地提高加拿大的國家情報能力。人工智能不是銀彈。人工智能系統不能產生意義或提供因果分析。然而，人工智能和機器學習可以極大地增強人類在管理數據和數據驅動的分析方面的情報能力。

2.4 增強加拿大軍力

隨著決策者為數據驅動的世界調整其安全態勢，人工智能有望改變軍事沖突的既定模式。DND/CAF面臨的關鍵挑戰之一是數據驅動的網絡重塑指揮和控制系統的速度（Thatcher 2020）。集中式系統的優勢在于其協調人類活動的效率。在指揮系統中，人員和傳感器推動威脅檢測，將信息向決策堆棧上移，以便決策者可以做出適當的反應。數字技術深刻地加速了這個過程。

人工智能在軍事領域的應用可能被證明對傳統的指揮和控制系統具有挑戰性。例如，在美國，五角大樓的第一位首席軟件官最近辭職，以抗議技術轉型的緩慢步伐。在離開國防部職位后的一次采訪中，尼古拉-沙伊蘭告訴《金融時報》，美國未能對技術變革和其他威脅作出反應，使國家的未來面臨風險（Manson 2021）。

除了變化的速度緩慢，軍事指揮和控制系統的集中性意味著單點故障提供了脆弱的攻擊點。指揮機關和自動或人類控制者往往容易受到利用不良或欺騙性信息的對抗性技術的影響，甚至自上而下的決策在適應復雜的突發挑戰方面也會很緩慢。

神經形態計算、生成式對抗網絡（GANs）、人工智能決策支持、數據分析和情報分析方面的新創新在增強軍事行動的結構和進程方面可能會產生巨大影響。機器學習算法的快速發展已經在商業和軍事領域引發了一波投資熱潮。

超越對損耗和動能攻擊的傳統關注，轉向基于加速和適應的新方法，數據驅動的技術可能是促成國家安全性質徹底轉變的關鍵。人工智能不是一種單一的技術。相反，它是一類可以在一系列軍事和商業應用中整合的技術。這些技術不斷演變的基礎是數據。

數字技術現在由數據推動，并將繼續推動創造越來越多的數據驅動的技術--特別是人工智能。數據是訓練人工智能和先進機器學習算法的基礎。數據既是大規模運行的數字系統產生的 "操作廢氣"，也是機器對數據輸入作出反應的過程，它現在推動了機器的 "自主性"。

數據驅動的技術支撐著現代社會的核心社會和經濟功能，涵蓋了基礎設施、能源、醫療保健、金融、貿易、運輸和國防。隨著5G網絡的全球推廣，預計在高度健全的全球信息網絡中創建、收集、處理和存儲的數據將出現爆炸性增長。根據市場研究公司IDC的數據，目前全球數據正以每年61%的速度增長（Patrizio 2018）。預計到2025年，數據將達到175 zettabytes（一萬億吉字節），改變數字經濟的性質和規模（同上）。

出于這個原因，DND/CAF將數據提升到國家資產的水平是明智的。這對經濟增長和加拿大國防都至關重要。將數據作為國家資產加以保護和利用，將意味著重新思考目前構成當代數據架構的大型集中式數字基礎設施。可以肯定的是，網絡時代的數據安全應該是分散的和聯合的，以避免集中式系統的脆弱性。

3 武器化AI：致命的自治系統

關于技術破壞的傳統預測往往會犯一個錯誤，即假設這種規模的系統變化只是以一對一的方式取代舊技術。在現實中，這種規模的顛覆往往會不成比例地取代舊的系統，使其具有巨大的新的架構、界限和能力（Arbib和Seba 2020）。

正在進行的人工智能武器化正在助長一場全球軍備競賽，有望重塑加拿大國防戰略的輪廓。事實上，世界上許多國家在人員系統自動化、設備維護、監視系統以及無人機和機器人的部署方面已經遠遠領先（斯坦利和平與安全中心、聯合國裁軍事務廳和史汀生中心2019）。從美國到俄羅斯到以色列再到中國，軍事研究人員正在將人工智能嵌入網絡安全舉措和支持遠程手術、戰斗模擬和數據處理的機器人系統。

以先進的物流、半自動車隊、智能供應鏈管理和預測性維護系統的形式將人工智能應用于軍事行動代表了人工智能的近期應用（Perry 2021）。然而，能夠在陸地、海洋、空中、太空和網絡領域針對個人（無論是否需要人類干預）的自主武器的演變代表了軍事沖突的可能未來（見圖3）。事實上，近100個國家的軍隊目前擁有某種程度的武裝或非武裝無人機能力（Gettinger 2019）。

圖3:全球無人機激增

商業無人機技術在采礦、農業和能源領域的縱橫捭闔，正在助長無人機技術的廣泛擴散。正如最近亞美尼亞和阿塞拜疆之間的沖突所表明的那樣，一群相對便宜的自主和半自主無人機可以被利用來壓倒傳統的軍事系統，使一系列當代平臺變得過時（Shaikh和Rumbaugh 2020）。輕型、可重復使用的武裝無人機，如土耳其的Songar（Uyan?k 2021）可以配備一系列有效載荷，包括迫擊炮、手榴彈和輕機槍。最近對沙特阿拉伯的Abqaiq石油加工設施（Rapier 2019）和俄羅斯的Khmeimim空軍基地（Hambling 2018）的攻擊反映了軍事無人機在不同戰場環境中的應用越來越多。

致命自主武器系統（LAWS）被定義為可以在沒有人類授權的情況下選擇和攻擊目標的武器，它被設計為在獨立識別目標之前在指定的行動區域內長期徘徊。多個無人機或機器人可以并行運作，以克服對手的防御或摧毀一個特定目標。開發人員傾向于將致命性武器系統分為三大類，即觀察、定位、決定和行動（OODA）循環（見圖4）。這些類別包括。"循環中的人"、"循環中的人 "和 "循環外的人"。這種區分也被框定為 "半自主"、"受監督的自主 "和 "完全自主 "的技術系統。不幸的是，受監督的致命性自主武器系統和完全自主的致命性自主武器系統之間的區別，可能只是一個軟件補丁或一個監管程序。

圖4：OODA環

隨著致命性自主武器系統和其他數據驅動的技術變得更便宜和更廣泛，它們可能會給廣泛的國家和非國家行為者提供平臺和工具，以新的和破壞性的方式利用人工智能和機器學習。除了收緊OODA循環外，軍事人員將需要了解人工智能在加速OODA循環方面的影響，以確定在特定情況下哪種模式最合適。

3.1 網絡平臺

鑒于EDT的范圍和規模，認為我們可以簡單地保持從上個世紀繼承的系統和做法是錯誤的。正如英國查塔姆研究所2018年的一份報告所警告的那樣，美國、英國和其他核武器系統正變得越來越容易受到網絡攻擊（Unal and Lewis 2018）。這些擔憂是有根據的。人工智能和EDT的擴散一起，幾乎肯定會通過利用人工智能和自主系統的規模效應，為小國和非國家行為者帶來好處。

對于許多北約國家來說，網絡平臺已經成為多領域行動的關鍵--海、空、陸、網絡和空間。大規模的網絡使得在復雜環境中可視化和協調大量資源成為可能。在5G電信和云計算的基礎上，信息系統現在可以有效地收集、傳輸和處理大量的戰場數據，提供實時數據分析。

連接設備正在成為協調空襲、駕駛無人機、消化戰斗空間的實時視頻和管理高度復雜的供應鏈的關鍵。在英國，國防數據框架提供了一個結構，以解決軍事組織與數據驅動的企業需求相一致的挑戰（Ministry of Defence 2021）。從戰略到通信到后勤到情報，數字平臺現在是協調復雜軍事行動的基礎。數據現在是所有作戰領域的命脈。

在一個數字化的戰斗空間中，每個士兵、平臺和資源現在都是一個復雜軍事網絡中的節點。從20世紀90年代以網絡為中心的美國軍事行動開始，數字技術已經成為先進武器、戰術和戰略的基礎。從戰場態勢感知和自主無人機到精確制導彈藥和機器驅動的心理行動，網絡正在使戰爭進入網絡時代。

在集中式機構對工業時代至關重要的地方，平臺和網絡正在成為數字時代的關鍵。人工智能本質上是一種 "自下而上 "的技術，依靠不斷 "喂養 "大量的數據來支持機器學習作為 "學習引擎"。隨著數字生態系統的激增，網絡平臺和它們所依賴的數據管理系統成為管理不斷擴大的資源和人員的關鍵。

與金融部門一樣，DND應該尋求區塊鏈等DLT，以加速加拿大軍隊的數字化轉型。通過在分散的網絡中橫向分配數據，CAF區塊鏈可以幫助減少官僚化系統固有的限制和脆弱性。DLT提供了一個高度分散的驗證系統，可以確保所有的通信和數據傳輸免受對手的攻擊，同時消除集中式節點的潛在故障。

3.2 無人機群和機器人技術

人工智能在軍事規劃中的應用正在迅速推進，許多國家在部署無人機和機器人方面已經取得了很大進展。事實上，無人機技術的全球擴散正在順利進行中。

世界各地的軍隊正在加速開發或采購攻擊型無人機（見圖5）。俄羅斯的 "閃電"（BulgarianMilitary.com 2021）、西班牙的Rapaz8以及英國、9美國10和以色列11的各種無人機項目共同代表了軍事技術新時代的早期階段。與工業時代的軍事技術不同，無人機可以以低成本獲得，并需要相對較少的技術技能。

無人機群技術涉及微型/迷你無人機/無人駕駛飛行器或無人機群，利用基于共享信息的自主決策。事實上，當代軍用無人機已經可以被設計成在沒有人參與的情況下定位、識別和攻擊目標。利用蜂群技術，數以百計的非武裝無人機可以從現場收集信息，同時用各種武器（即火器、火炮和/或彈藥）引導數以千計的無人機。

正如簡短的視頻 "Slaugherbots "所展示的那樣，完全自主的武器將使瞄準和殺死獨特的個人變得非常容易和便宜。在面部識別和決策算法的基礎上，國家和非國家行為者都可以廣泛使用致命性武器。數以千計的相對便宜的無人機配備了爆炸性的彈頭，有可能壓倒防空系統，攻擊基礎設施、城市、軍事基地等等。

圖5：無人機對比

3.3 馬賽克戰爭

無人機群壓倒加拿大軍事設施的威脅，以及對關鍵基礎設施的網絡攻擊或在衛星傳感器檢測到威脅時自動發射的高超音速導彈，代表了一個令人不安但越來越可能的未來。從復雜性科學和對昆蟲的研究中產生的，使用無人機來支持 "集群情報 "代表了一個加速戰爭節奏的新工具集。

為了應對這種不斷變化的環境，DARPA提出了 "馬賽克戰爭"的概念。馬賽克戰爭的中心思想是，模塊化系統可以成為應對高度網絡化環境的廉價、靈活和高度可擴展的工具。就像馬賽克中的瓷片一樣，單個作戰平臺可以被設計成高度可配置的。編隊利用分散的代理在 "殺戮網 "上進行重新配置。殺戮網的目標是避免 "單體系統 "的結構僵化。

與傳統戰爭中需要的復雜棋局不同，馬賽克戰爭利用數字網絡，利用模塊的靈活性和增強的決策（時間壓縮）加快動態響應時間。像自然界中的復雜系統一樣，殺傷性網絡使用算法來消除單點故障，通過模塊化設計加速反應時間。

從主導地位（預測）轉向加速反應（適應），"馬賽克戰爭 "旨在支持混合軍事單位，利用 "決策棧 "上下的橫向網絡。人工智能、無人機、傳感器、數據和人員結合在一起，為地面上的作戰指揮官提供支持，使小型編隊能以更快的速度獲得情報、資源和后勤資產。

像 "馬賽克戰爭 "這樣的模塊化系統表明，未來的戰爭將越來越多地利用現在驅動戰爭游戲和模擬的計算、數據分析和算法。推動高度流動、游戲化和不可預測的環境，未來的人工智能系統可以將戰爭加速到一個隨著結果范圍的擴大而變得極其密集的計算速度和節奏。

DARPA最近的AlphaDogfight（2019-2020年）為這一新現實提供了一個窗口。使用復雜的F-16飛行模擬器讓計算機與有經驗的人類飛行員對決，試驗的目的是為DARPA的空戰進化計劃推進人工智能開發者。毫不奇怪，F-16人工智能代理通過積極和精確的機動性擊敗了人類飛行員，而人類飛行員根本無法與之相提并論，五局為零。

4 對抗性攻擊

人工智能的武器化也在激起對抗人工智能系統的新戰略和方法。正如網絡行動（無論是間諜活動還是攻擊）可以指示計算機網絡或機器以它們不打算的方式運行，對手也可以對人工智能系統使用同樣的策略。這個過程被稱為對抗性機器學習，旨在找出機器學習模型的弱點并加以利用。攻擊可能發生在開發或部署階段，包括通過提供欺騙性輸入（例如，"毒化"數據）或針對模型本身來誤導模型。

這些方法在國家安全環境中特別危險，因為在許多情況下，它們是微妙的，人類無法察覺。此外，具有挑戰性的是，對手不一定需要對目標模型的具體知識或直接訪問其訓練數據來影響它。隨著人工智能系統變得更加普遍，更多的人可以接觸到，對手的吸引力和攻擊機會將增加。

4.1 攻擊數據

攻擊者可能試圖修改訓練數據或測試數據。這是通過創造對抗性樣本來實現的，這些樣本被故意 "擾亂 "或改變并提供給模型，從而導致錯誤。例如，通過改變洗衣機圖像的分辨率，研究人員能夠欺騙一個模型，將機器分類為 "安全 "或 "擴音器"（Kurakin, Goodfellow and Bengio 2017）。對人的眼睛來說，對抗性圖像看起來幾乎是一樣的。

在國家安全方面，對手可能會試圖使用同樣的技術來暗示武器系統實際上是一個社區中心。如果這是在孤立的情況下發生的，那么這個問題很可能被識別和解決。如果對手的樣本被長期大規模使用，這可能成為一個重大的挑戰，并影響對情報收集系統的信任。

此外，一些對手可能并不精確--或有技能--并可能試圖迫使一個模型對整個類別而不是特定類別進行錯誤分類。由于我們在國家安全環境中越來越依賴計算機圖像，并不總是能夠實時或在有爭議的空間進行驗證，因此在這種攻擊中出現誤判的風險是很大的。

高后果的人工智能系統并不是對抗性攻擊的唯一目標。受對抗性樣本影響的人工智能系統可以包括生物識別，其中假的生物特征可以被利用來冒充合法用戶，語音識別中攻擊者添加低量級的噪音來混淆系統（Zelasko等人，2021）和計算機安全（包括在網絡數據包中混淆惡意軟件代碼）。

由于DND/CAF尋求通過部署人工智能系統來提高效率--如軍艦上的語音助手（McLeod 2019）--必須在部署前評估對抗性使用的風險并制定對策。

4.2 攻擊模型

除了改變輸入，另一種攻擊方法可用于逆向工程模型以獲取訓練數據（Heaven 2021）。由于機器學習模型對訓練數據的表現比新的輸入更好，對手可以識別目標模型預測的差異，并與包括個人身份信息在內的已知數據相匹配（Shokri等人，2017）。隨著機器學習即服務變得越來越多--而且在許多情況下，被用作開發更復雜的能力的基礎--DND將需要仔細審查國家安全系統的數據泄漏風險。這甚至適用于看似無害的系統，如語音助手。

人工智能系統的弱點的例子很多（Hadfield-Menell等人，2017）。這些例子包括吸塵器將收集到的灰塵彈回它剛打掃過的地方，以便它能收集更多的灰塵，或者數字游戲中的賽艇在原地循環以收集分數，而不是追求贏得比賽的主要目的。雖然這些例子沒有生命危險，但同樣的技術--被稱為獎勵黑客（當一個模型被指示使其目標函數最大化，但卻以非故意的方式進行）--可以被用于更嚴重的效果。

從旨在用固定的訓練數據解決 "單步決策問題 "的機器學習過渡到解決 "順序決策問題 "和更廣泛的數據集的深度機器學習，將使對抗性攻擊更難發現。這種威脅是如此之大，以至于美國情報高級研究項目活動正在資助一個項目，以檢測木馬人工智能對已完成系統的攻擊。令人擔憂的是，政府可能會在不知情的情況下操作一個產生 "正確 "行為的人工智能系統，直到出現 "觸發 "的情況。例如，在部署過程中，對手可能會攻擊一個系統，并在更晚的時候才導致災難性的故障發生。這些類型的攻擊可能會影響到圖像、文本、音頻和游戲的人工智能系統。

4.3 防御和反制措施

正如對抗性樣本可以用來愚弄人工智能系統一樣，它們可以被納入訓練過程中，以使它們對攻擊更加強大。通過對最重要的國家安全人工智能系統進行清潔和對抗性數據的訓練--要么給它們貼上這樣的標簽，要么指示一個模型將它們分離出來--更大的防御是可能的。但是，復雜的對手很可能會自行躲避這種防御方法，而使用額外的戰術進行深度防御將是必要的。

GANs有各種各樣的用例，從創建深度假說到癌癥預后（Kim, Oh and Ahn 2018）。它們也可用于防御對抗性攻擊（Short, Le Pay and Ghandi 2019），使用一個生成器來創建對抗性樣本，并使用一個判別器來確定它是真的還是假的。一個額外的好處是，使用GANs作為防御，實際上也可能通過規范數據和防止 "過度擬合 "來提高原始模型的性能（IBM云教育2021）。

對抗性攻擊和防御模型進行基準測試--如使用GANs--是一種全面的對策，可以對AI系統進行比較。這種方法為制定和滿足安全標準提供了一個量化的衡量標準，并允許評估人工智能系統的能力和限制。

作為這個測試和評估過程的一部分，博弈論可能有助于建立對手的行為模型，以確定可能的防御策略。由于人工智能系統無法在傳統的信息安全意義上進行 "修補"，因此在部署前應仔細分析針對國家安全人工智能系統的對抗性攻擊的風險，并定期進行審查。此外，訓練有素的模型--特別是那些關于機密數據和最敏感應用的模型--應該得到仔細保護。

5 關于人工智能的全球治理

數據驅動的戰爭的速度和范圍表明，我們正在進入一個新的時代，其中致命性武器系統的潛力--無論是否有人類參與--都可能極大地改變全球力量平衡。從殺手級無人機和人機合作到增強的軍事決策（殺手2020），人工智能技術將使世界各國軍隊投射力量的能力大大增加。正在進行的人工智能武器化也與空間武器化相重疊（《經濟學人》2019年），因為低地球軌道（LEO）日益成為軍事監視、遙感、通信、數據處理（Turner 2021）和彈道武器（Sevastopulo和Hille 2021）的操作環境。

人工智能與低地軌道和致命性自主武器系統的興起，代表了全球安全性質的一個關鍵轉折點。為此，世界各地的學術研究人員、技術企業家和公民都對人工智能的軍事化所帶來的危險表示擔憂。正如他們正確地指出的那樣，在規范負責任地開發和使用人工智能的規范和法律方面缺乏國際共識，有可能造成未來的危機。

5.1 戰爭法則

除了我們在科幻小說中經常看到的對人工智能的夸張描述，重要的是建立適當的制衡機制，以限制人工智能技術可能提供的權力集中。關于管理人工智能和其他數字技術的共同國際規則和條例將塑造未來幾十年的戰爭和沖突的輪廓。在軍事人工智能的發展中制定護欄，對于減少未來沖突的可能性至關重要。

加拿大和其他北約國家積極參與這一討論可能是未來全球和平與安全的關鍵。在發動戰爭的條件（jus ad bellum）和戰爭中的人工智能行為（jus in bello）方面，規范人工智能使用的戰爭法仍有待確定。鑒于美國和中國之間不斷擴大的競爭，需要制定關于致命性自主武器系統的使用及其擴散的條約是再及時不過了。

正如北約所觀察到的，加拿大及其盟國應尋求促進、參與和建立合作機會，以支持開發和應用人工智能和其他EDT的廣泛、全面的架構（北約新興和顛覆性技術咨詢小組2020）。盡管面臨著艱巨的挑戰，全球治理在規范軍事人工智能方面可以發揮重要作用。盡管對人工智能及其武器化有不同的看法，但過去的談判可以作為未來條約的基礎，特別是在定義戰爭規則方面。這包括關于常規武器、核軍備控制、生物和化學武器、地雷、外層空間和平民保護的條約（見圖6）。

到目前為止，《聯合國特定常規武器公約》（CCW）已經監督了一個討論應對自主武器帶來的人道主義和國際安全挑戰的進程。已經提出了一系列監管致命性自主武器系統的潛在方案，包括《特定常規武器公約》下的一項國際條約，一個不具約束力的行為準則，宣布各國承諾負責任地開發和使用致命性自主武器系統。在聯合國之外，2013年發起了 "停止殺手機器人 "運動，目標是完全禁止致命性自主武器系統。

聯合國秘書長安東尼奧-古特雷斯強調了人工智能和其他數字技術的風險和機遇（聯合國2020），并呼吁禁止致命性自主武器系統（古特雷斯2021）。不幸的是，聯合國成員國，特別是聯合國安理會的觀點存在分歧，一些國家認為監管是民族國家的專屬權限，而另一些國家則側重于更多部門的做法。除了人工智能的武器化，在圍繞人權、算法偏見、監控（公共和私人）以及國家支持的或國家支持的網絡攻擊等問題上也存在廣泛的分歧。

對于世界上的主要軍事大國來說，缺乏互信仍然是追求人工智能集體軍備控制協議的一個重大障礙。即使相當多的國家支持提供新的具有法律約束力的條約，禁止開發和使用致命性自主武器，但世界上大多數主要軍事大國都認為人工智能的武器化具有重大價值。鑒于這些分歧，致命性自主武器系統的多邊管理將需要建立信任措施，作為打開政治僵局的軍控進程的手段。

走向平凡的監管 也許制定管理人工智能的政策和監管制度的最具挑戰性的方面是難以準確地確定這些制度應該監管什么。與生物和化學武器不同，人工智能大多是軟件。事實上，人工智能是一個移動的目標：40年前被定義為人工智能的東西，今天只是傳統的軟件。

人工智能是一個模糊的技術領域，影響著廣泛的商業和軍事應用。例如，機器學習算法是搜索引擎（算法排名）、軍用無人機（機器人技術和決策）和網絡安全軟件（算法優化）的成分。但它們也支撐著平凡的行業，甚至兒童玩具（語義分析、視覺分析和機器人技術）、金融軟件和社交媒體網絡（趨勢分析和預測分析）。

與屬于這些平凡的監管領域的產品和流程一樣，人工智能技術不是被設計成最終實體，而是被設計成在廣泛的產品、服務和系統中使用的成分或組件。例如，一個 "殺手機器人 "不是一種特定技術的結果。相反，它是人工智能 "成分 "重新組合的結果，其中許多成分也被用來檢測癌癥或增加駕駛者的安全。

雖然人們傾向于使用一個專門的不擴散鏡頭來監管人工智能，但雙重用途的挑戰仍然存在。與核擴散或轉基因病原體不同，人工智能不是一種特定的技術。相反，它更類似于一個材料或軟件成分的集合。與大多數二元的核不擴散鏡頭相比，可以在食品監管中找到更相關（盡管不那么令人興奮）的監管模式的靈感，特別是食品安全和材料標準（Araya和Nieto-Gómez 2020）。

5.2 治理人工智能

鑒于對人工智能進行全面監管存在重大的概念和政治障礙，治理仍然是一項艱巨的挑戰。一方面，如果我們把人工智能理解為一系列復制人類活動的技術實踐，那么就根本沒有一個單一的領域可以監管。相反，人工智能的治理幾乎重疊了每一種使用計算來執行任務的產品或服務。另一方面，如果我們將人工智能理解為大幅改變人民和國家之間權力平衡的基礎，那么我們就會面臨重大挑戰。

幸運的是，這并不是民族國家第一次面臨影響全球安全的新技術。在第二次世界大戰之后，世界上最強大的國家--美國、英國、蘇聯、中國、法國、德國和日本--對核武器、化學制劑和生物戰的全球治理進行監督。當時和現在一樣，世界必須采取集體行動來治理人工智能。

與冷戰時期一樣，包括定期對話、科學合作和分享學術成果在內的建立信任措施可以幫助減少地緣政治的緊張。為管理軍事人工智能帶來的風險制定一個共同的詞匯，可以為隨著時間的推移制定更有力的人工智能多邊條約提供基礎。

在這方面，經濟合作與發展組織（OECD）已經公布了其關于人工智能的建議，作為一套政府間標準，于2020年2月啟動了人工智能政策觀察站。加拿大和法國政府還與經合組織一起領導了一個全球人工智能伙伴關系（GPAI），旨在成為一個人工智能政策的國際論壇。GPAI的成員專注于以 "人權、包容、多樣性、創新和經濟增長原則 "為基礎的負責任的人工智能發展。

除了GPAI，一些歐洲國家已經呼吁歐盟成員開始一個關于負責任地使用新技術的戰略進程--特別是人工智能。美國已經邀請盟國討論人工智能的道德使用問題（JAIC公共事務2020）。北約已經啟動了一個進程，鼓勵成員國就一系列道德原則和具有軍事用途的電子技術關鍵領域的國際軍備控制議程達成一致（Christie 2020；NATO 2020）。認識到EDT對全球安全的深遠影響，北約于2019年12月推出了EDT路線圖（北約科技組織2020）。

從整體上看，二十一世紀需要進行正式監管。從長遠來看，這很可能包括尋求與禁止生物武器、化學武器和殺傷人員地雷一樣的人工智能條約。然而，鑒于人工智能的創新速度和世界超級大國之間日益擴大的分歧，就人工智能的全球治理進行談判的機會之窗可能正在關閉。

圖6:人工智能的全球治理

6 結論：走向國家創新體系

即使在工業時代即將結束的時候，技術創新也在加速進行（Araya 2020）。自從大約80年前誕生以來，人工智能已經從一個神秘的學術領域發展成為社會和經濟轉型的強大驅動力。人工智能在戰爭中的整合被一些軍事分析家描述為一個不斷發展的 "戰場奇點"（Kania 2017）。在 "技術奇點"（Schulze-Makuch 2020）的概念基礎上，人們越來越多地猜測，人工智能和機器人將超越人類的能力，有效地應對算法驅動的戰爭。

人工智能和其他EDT的演變正在將先進的數據、算法和計算能力匯集起來，以 "認知 "軍事技術。在這種新環境下，現代軍隊正變得嚴重依賴提供安全、及時和準確數據的網絡。數據已經成為數字系統的 "作戰用氣 "和驅動 "智能機器 "的原料。隨著數據重要性的增加，在廣闊的數字領域的對抗性競爭也在增加。事實上，數據的真正價值在于其推動創新的數量和質量。

正如北約關于EDT的年度報告（北約新興和顛覆性技術咨詢小組2020）明確指出，要想跟上技術變革的步伐，就必須在技術的開發、實驗和應用方面保持靈活性和快速迭代。整個CAF的創新能力必須是一個更廣泛的創新生態系統的一部分，該系統有效地整合了公共和私人生態系統的研究和實施。這包括與加拿大工業界合作利用雙重用途的GPT的明確目標，以便利用已經存在的技術。

這種多領域的合作在歷史上被定義為國家創新體系（NSI）（OECD 1997）。事實上，NSI政策和規劃可以采取多種形式，從松散的協調到高度整合的伙伴關系。在美國（Atkinson 2020）、中國（Song 2013）和歐洲（Wirkierman, Ciarli and Savona 2018）應用的各種NSI規劃模式表明，在最大化政府-產業-研究伙伴關系方面可以找到大量的經濟和社會回報。政府應通過稅收優惠、采購和研究資金以及戰略規劃，努力建設加拿大的技術能力。但它不能單獨行動。

國家創新必然取決于機構參與者在一個共享的生態系統中進行合作。出于這個原因，一個協調的加拿大國家統計局將需要在推動長期創新的過程中，人們和機構之間的技術和信息的相互流動。鑒于EDT的許多創新是由工業界主導的，推進公私伙伴關系對加拿大軍隊的發展至關重要。對于國防部/加拿大空軍來說，要推進適合數字時代的軍隊，政府、工業界和學術界將需要以更綜合的方式進行合作。

建立一個強大的加拿大創新生態系統將意味著更廣泛的公私合作和持續的知識和資源的再培訓、培訓和孵化。盡管開發尖端人工智能需要人力資本投資，但大多數人工智能應用現在可以通過開源許可獲得，即使核心學習算法可以在公共平臺和整個學術生態系統中獲得。這種 "開放一切 "環境的影響是對封閉的等級制度和深思熟慮的官方機構的實質性挑戰。

政府程序和規劃將需要適應加速的創新生命周期，以配合EDT積極的淘汰周期。除了與網絡技術相關的巨大的不對稱安全風險外，向數據驅動型軍隊的轉變將需要大量關注數據安全和數據治理。與進行傳統的國家間沖突所需的大量成本和規劃不同，網絡攻擊的破壞性影響可以由僅有一臺個人電腦的小團體對關鍵基礎設施發動。鑒于未來不斷增加的挑戰，大型官僚機構（公司、政府、學術和軍事）的設計變化是不可避免的。

除了對新的和不同的知識、資源和專長的需求，加拿大政府和加拿大軍方將需要平衡硬實力和不斷變化的地緣政治格局的需求。在美國占主導地位的時代之外，二十一世紀正被一個以技術民族主義和后布雷頓森林體系為特征的多極體系所塑造。面對一個快速發展的數字時代，國際合作將是確保和平與安全的關鍵。信息共享、專家會議和多邊對話可以幫助世界各民族國家及其軍隊更好地了解彼此的能力和意圖。作為一個全球中等國家，加拿大可以成為推動這一努力的主要伙伴。

國際治理創新中心（CIGI）

國際治理創新中心（CIGI）是一個獨立的、無黨派的智囊團，其經同行評議的研究和可信的分析影響著政策制定者的創新。其全球多學科研究人員網絡和戰略伙伴關系為數字時代提供政策解決方案，目標只有一個：改善各地人民的生活。CIGI總部設在加拿大滑鐵盧，得到了加拿大政府、安大略省政府和創始人吉姆-巴爾西利的支持。